книги из ГПНТБ / Столярчук В.Г. Строение атома и периодическая система элементов Д. И. Менделеева

ставление о

с т р о е н » атома.

Показана взаимосвязь между свойствами элементе! пе­

риодической

системы Д.И.Менделеева

ш строением

их а т о ­

мов.

Компакт

лекций будет полезным для студентов

нехи-

мич ее и их

банальностей, изучавших

химию, радшоматериа-

ВВЕДЕНИЕ

Атомистические

в о з з р е н и я

на

природу

вещей

р а з в и в а л и с ь

на протяжении всей истории физики и химии.

Р а з в и т и е

её

шло

в б о р ь б е

материализма

с

идеализмом^ и каждое

крупное

открытие

в

области

с в о й с т в

и

с т р о е н и я

атомов

и

молекул

о з ­

начало

новую

победу

единственного

научного

м а т е р и а л и с т и ­

ч е с к о г о м и р о в о з з р е н и я .

В этом движении по пути познания

с т р о е н и я

материи

б о л ь ­

шой

вклад

внесли

р у с с к и е учёные

М.В.Ломоносов,

В . В . П е т р о в ,

Д . И . М е н д е л е е в ,

А . М . Бутлеров,

А . Г . С т о л е т о в , Л.И.Мендельштам

и д р .

Почти

д о

XIX в е к а

на атом

многие

учёные

смотрели

как

на

химически

неделимую

частицу

и вопросов

о

строении

атома

не

поднимали. Т а к ,

например,

Д . Д а л ь т о н

( 1 7 5 6 - 1 В ч ч

г " . г . ) ,

выдающийся

английский

химик

и физик,

с ч и т а л ,

что атом

м о ­

нолитен и

я в л я е т с я

основой

мироздания .

Д .

Максвелл

( I 8 3 I - I 8 7 9

г

г . ) ,

английский

физик,

г о в о р и л ,

что, если

п о г и б н е т

с о л н е ч н а я

с и с т е м а ,

то

и

т о г д а

атом

о с т а ­

н е т с я неделимым.

Он

у т в е р ж д а л ,

что"каждый

индивидуум

в

ми­

ре

молекул

о с т а ё т с я

вечным.

З д е с ь

н е т

рождения,

разрушения,

изменения

и

нет

никакого р а з л и ч и я

между

индивидуумам*

о д н о ­

го

и того

же

р о д а .

Вот

почему т е о р и я ,

с

которой

мы до

т а ­

кой

степени

о с в о и л и с ь ,

и з в е с т н а я

под

названием

эволюцион­

ной

т е о р и и ,

не

л о к е т

быть

применена

к

молекулам" £

l j .

Первым

поднявшим

вопрос

о

строении

атома

был

ф и з и к - п р о ф е с ­

сор

Московского

у н и в е р с и т е т а

М.Г.Павлов (Т79'}~№40

г

г . ) , к о ~

торый

почти

за

с т о

л е т

до

р а б о т

английского

учёного

Рвяерфордя

р а з в и в а л

материалистическую теорию.

По

его

теории

элементы

Si

( а т о м ы )

построены

из положительного

и о т р и ц а т е л ь н о г о

э л е к ­

т р и ч е с т в а

и

имеют

п л а н е т а р н о е

с т р о е н и е .

З а к о н Д . И . М е н д е л е е в а ,

доказавший

п е р и о д и ч е с к о е

изменение

с в о й с т в элементов

в

зависимости

от

их атомного

в е с а ,

я в л я л ­

с я ,

по

меткому

выражении)

Н . Д . З е л и н с к о г о ,

"открытием

взаимной

с в я з и

в с е х

атомов

в м и р о з д а н и и " .

Из

п е р и о д и ч е с к о г о закона

неизбежно

с л е д у е т ,

что

агтомы

химических

элементов

с о с т о я т

из

б о л е е

простых

частиц

и

что

разные атомы

построены

из

различных

к о л и ч е с т в

одинаковых

составных

ч а с т е й .

Это

п о н и ­

мал

и

с а м

Д . И . М е н д е л е е в ,

который

п и с а л :

"

„ . .

л е г к о

п р е д п о ­

л о ж и т ь ,

но

н е т

пока

ешё' возможности

д о к а з а т ь ,

что

атомы

простых

тел

с у т ь

сложные

в е щ е с т в а ,

образованные

сложением

некоторых

ешё

меньших

ч а с т е й ,

что

называемое

нами

н е д е л и -

, мнй

( а т о м )

-

неделимо

только

обычными-химическими

с и л а м и ,

как

частицы

( т . е . м о л е к у л ы )

неделимы

в обычных

условиях

фи ­

зическими

силами . . . Выставленная

мной

п е р и о д и ч е с к а я

з а в и ­

симость

между

свойствами

и

весом, пс-видимому, подтверждает

т а к о е п р е д ч у в с т в и е " [ 2 J .

,Д . И . Менделеев предвидел

и

превращаемость

химических

э л е ­

м е н т о в .

В

сво-эй с т а т ь е

" З о л о т о

и

с е р е б р о "

(

1898

г . )

он

з а ­

м е ч а е т :

"

. . .

мче

л и ч н о ,

как

/ ч а с т н и к у

открытия

закона

п е ­

риодичности

химических

э л е м е н т о в ,

было

бы

весьма

интересно

п р и с у т с т в о в а т ь

при

у с т а н о в к е

данных

д л я ~ д о к а з а т е и ь с т в а

п р е -

рра^пеиия

элементов д р у г

в д р у г а ,

потому

что

я

тогда

мог

бы

н а д е я т ь с я

н.а

т о ,

что причина

периодической

закономерности

б у д е т открыта

и понята

"„.."1

3 ]

о

В

одном

из

своих

примечаний э "Основах химии" в связи с

ф а к т ы ,

что

при переходе

от

н а т р и я

к

магнию

и о т

калия

к

кальцию

в о & р а с т а е т

на

единицу не т о л ь к о

а т о ш ы й

в е с ,

но

а

в а л е н т н о с т ь , Д . И . Менделеев

пишет:

"

. . .

как будто

бы

JVati

=

ъ

К-Н

С а

,

что

с о г л а с н о

с

их

атомностью

h'H заключает

дв а

о д н о а т о ш ш х э л е м е н т а - е с т ь

д в у х а т о м н а я

группа

как

Са

Этот

приыер

п р е д с т а в л я е т

исключительвий

и н т е р е с

в

наши

дй1

~

т е г о ишеи

р а с с м а т р и в а т ь

как

ядерную реакцию

п о г л о ­

щения

ядрами

Н

и

Л'а

во ото нов

V

*

33

I

4 0

>

*///

Итак,

Д „ И. Манделл ев.

был

склонен

и с к а т ь

п р и ­

роду

периодичности

с з о й с т в э л е м е н т о в

в с л о в н о с т и

с т р о е н и я

а т о ш .

Русский

х и а и к

А . М . Бутлеров U 8 2 8 - 1 8 8 6 г г . )

п и с а л

" . . .

так н а з ы в а е т е

ныне

"атоиы"

некоторых

э л е м е н т о в

в

сущ­

н о с т и ,

быть

ы о д е т ,

способТйы

п о д в е р г а т ь с я

хими ч е с н о к у

дарению

т . е .

они ( . а т и ш )

не н е д е л и ш

по

своей" п р и р о д е , а

неделимы

Только

ныне

доступными

средствами

и с-охраняются

лишь

в

т е х

химических

п р о ц е с с а х ,

которые и з в е с т и и

нам

т е п е р ь ,

но

могут

быть

разделены

в

новых

п р о ц е с с а х ,

которые

б у д у т

открыты

в п о с л е д с т в и и " [ 4 ] .

.Аналогичное ш с л и

высказывает

ц, А.Морозов

(1854-1946

г . г .

русский

ре.втгл&окер,

н а р о д о в о л е ц ,

учёт/Л

и

/ ю э т . li

90 - г

г о ­

д а х

коробов

II. А. р а з ш в а е т

т е о р и я

о

том,

чт о

ь с о с л а в

а

те-

v

ми а

входят

ч а с т а я

с

кгесой . 4 , 2 , Х,и

приходит

к выводу

о т о м .

-

ч

-.

что при

разрушении

атома

выделится

ч а с т и ц а с

массой 1,2,4 .

Он также

о т с т а и в а л

идею

о

взаимопревращаемости

э л е м е н т о в .

Большой и н т е р е с

с исторической

точки зрения

п р е д с т а в л я ­

е т с т а т ь я т а л а н т л и в о г о р у с с к о г о у ч ё н о г о Б . Н . Ч и ч е р и н а

"Система

химических

э л е м е н т о в ? н а п е ч а т а н н а я

в

журнале

р у с с к о г о

<|нзико~химическ от о

общества (1РФХ0)

[ 5 ] .

В этой

с т а т ь е

р а з в и в а е т с я

п р е д с т а в л е н и е

о б

атомах

х и м и ч е с ­

ких

э л е м е н т о в ,

к а к

о

планетарных

с и с т е м а х

микромира.

Автор

пишет:

"Каждый

а т о м

п р е д е т а в л я е т собой

подобие

с о л н е ч ­

ной

с и с т е м ы ,

с ц е н т р а л ь н о й

массой

и

обращающимися

вокруг

неё

т е л а м и .

Атомы,

как и

н е б е с н ы е

т е л а к

долины

н а х о д и т ь с я

в с о с т о я н и и

п о с т о я н н о г о

вращения,

иначе

н е

может

с о х р а н я т ь ­

ся

р а в н о в е с и е

и а т о м

не

о с т а н е т с я

неизменным.

При

взаимном

притяжении

ц е н т р а и

окружности

только

вращение

п р е п я т с т в у ­

ем

последней

с о е д и н я т ь с я

с

ц е н т р о м " .

По Б . Н . Чичерину 1

п е ­

риодичность

с в о й с т в химических

элементов

о б ъ я с н я е т с я

с л о и с ­

тым расположением таких

о р б и т .

Все

высказанные

предположения

о

сл ож ной

с т р у к т у р е

атома

требовали

экспериментальных

д о к а з а т е л ь с т в ,

которые были

о т ­

крыты

в

конце

XDC и

в н а ч а л е

XX стол - етий . Эти

о т к р ы т и я ,

в а ж -

ние

для

дальнейшего

р а з в и т и я

фязики

и химии,

В . И .

Ленин

определил

как

" реаолпцип

ъ е с т е с т в о з н а н и и .

§

I . ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА СЛОЕНОЙ СТРУКТУРЫ

АТОМА

I .

Открытие

катодных

л у ч е й

Ещё

в

1705 г о д у

было

з а м е ч е н о ,

ч т о

искры

от

э л е к т р и ч е с ­

кой

машины

проскакивают

в

р а з р е ж ё н ш м

в о з д у х е

д а л ь ш е ,

чем в

чозду*г

при

нормальном даттлеггии,

/

В

1838

г о д у

Фарад е й ,

п р о п у с к а я

ток

от э л е к т р и ч е с к о й

да*»

шины

ч е р е з

стеклянную

трубку

с

воздухом при н и з к о м

д а в л е н и и ,

наблвдал

с в е ч е н и е

к а т о д а .

В

1858

году

Плюкер

о б н а р у к и л . ч т о ,

когда

д а в л е н и е

воздуха

в

т р у б к е

с ш я а е т с я ,

то

с в е ч е н и е

в о -

ируг

к а т о д а

с т а н о в и т с я

б о л е е

протяженным.

В

1879

г с д у

а н ­

гличанин

В.Круиз

и з о б р ё л

множество к а т о д н о - д у ч е в ы х

т р у б о к ,

которые

позволили

д е м о н с т р и р о в а т ь

не

только

с в е ч е н и е ,

но

я

и с с л е д о в а т ь с в о й с т в а с в е ч е н и я .

Пропуокая

э л е к т р и ч е с к и й

т о к

высокого напряжения

ч е р е з

стекяянные

трубки

с

разреженным

г а з о м ,

и с с л е д о в а т е л я н а б л ю ­

д а л и ,

что

о т

поверхности

к а т о д а

перпендикулярно

и с х о д и т

невидимое

и з л у ч е н и е ,

вызывающее

я р к о е

з е л ё н о е

с в е ч е н и е

(флюоресценцию)

к а к

с т е к л а

трубки

в

т о м ы е с т е ,

к у д а

и з л у ч е ­

ние п а д а е т ,

т а к

и

с а м о г о

г а з а ,

наполняющего

т р у б к у .

Излучение

о т

к а т о д а

названо

катодным

излучением»

К р у ю выступил с предположением,

что катодные л у ч и

я в л я ­

ются

потоками

мельчайших

частиц

,

осколками

молекул

или .

а т о м о в .

Природа

частиц

была

выяснена

в

р е з у л ь т а т е

р а б о т

а н г л и й с к о г о

физика

Д к . Д к . Т о ь е о н а

и д р у г и х

у ч ё н ы х .

Катодные

л у ч и р а з о г р е в а е т

т е л а , на

которые

они

п а д а ю т ,

двигают

очень

л ё г к и е

предметы,

с л е д о в а т е л ь н о ,

имеют

н е к о т о ­

рую массу

и

обладают

кинетической

э н е р г и е й .

Энергия

э т а

з а ­

висит

от

их

с к о р о с т и ,

а

п осл е д н я я

-

от

приложенного

к э л е к ­

тродам напряжения .

- Катодные лучи

-

ш т о к

мельчайших - частиц,

обладающих

огром­

ной с к о р о с т ь ю

(I50COO

к м / с е к ) ,

вызывают с в е ч е н и е

но

только

с т е к л а ,

но

и

д р у г и х

веществ

( к а л ь ц и т а ,

флюорита

и

лр'.Х

на

которые

они

пал.а«>т.

Катодные

лучи

о т к л о н я е т с я

в

магнитном

и

э л е к т р и ч е с к о м п о ­

лях

в

сторону положительного полюса

( з а р я д а ) .

Из

з т о г о

Факта

с л е д о в а л

вывод,

что

катодные лучи

обладают

. отрицательный

з а р я д о м ,

поэтому

«ни

о т т а л к и в а ю т с я

о т р и ц а т е л ь ­

ным

полюсом.

Свойства

катодных

лучей

не з а в и с я т

ни

от

м а т е р и -

' з л а ,

из

к о т о р о г о

с д е л а н

к а т о д ,

ни

о т

природы

разреженного

г а ­

з а ,

находящегося

в

трубкёь

Эти

частицы

являются

о б я з а т е л ь н о й

с о с т а в н о й

частью

атомов любых э л е м е н т о в и отрываются

о т этих

после дня я

под

в о з д е й с т в и е м

э л е к т р и ч е с т в а .

Кйтодные

частицы

известны

только

в

заряженном

с о с т о я н и и

к

ке

могут

быть

лишенн

своих

з а р я д о в ,

т . е .

н е

могут бы^ь

п р е ­

вращены

в

нейтральные

частицы

- э л е к т р и ч е с к и й

заряд

с о с т а в ­

л я е т сущность

их

природы. Эти

частицы

по

предложению

С т о н е я .

л с л у ч а л и

н а з в а н и е

э л е к т р о н о в

и

о б о з н а ч а ю т с я

Q

или

( 6 ) .

Так

к а к

природа

э л е к т р о н о в

о с т а ё т с я

в с е г д а

одной

и

той

ж е ,

кз

к а к о г о

материала

ни

и з г о т о в л я л с я

бы к а т о д ,

то

электроны

п^ог . ставляпт

собой

обшуо

составную

ч а с т ь

атомов

всех

э л е м е н ­

т о в .

Особыми

приёмами

у д а л о с ь определить

иассу

катодных

частиц

•: величину

их

з а р я д а ,

о к а з а л о с ь ,

что

масса

э л е к т р о н а

••

=

9 , 1 0 б « Ю ~ 2

8 г

или

1/1837,5 массы

атома водорода

,

ил*

С,СС055 у . е .

( у г л е р о д н ы х

е д и н и ц ) ;

радиус

э л е к т р о н а

примерно

z IC0000

р а з

меньше

р а д и у с а

а т о м а .

З а р я д

э л е к т р е т а

р а в е н

Г , б - Г О ~ 1 9

кулонов

или

4 , 8 1 ч О - Я Г 1

0

C G ^ ' t *

По

современным

ь о з з р е н и я н , з а р я д

э л е к т р о н а

есть

наименьший

э л е к т р и ч е с к и й

з а р я д ,

наимгньшее к о л и ч е с т в о

э л е к т р и ч е с т в а ,

ка--

к о е

мокет

с у щ е с т в о в а т ь ,

и это . к о л и ч е с т в о

э л е к т р и ч е с т в а

п р и н я ­

то

за

единицу»

Э.

Tgp'/озлектронная

эмиссия

( и л и

термоэлектрический

эффект)

Термоэлектронная

э м и с с и я ,

открытая

Эдиссоном

в

1881 году

'".'"О,

заключается

в

„точ,

что

эле»троны

могут

также"

и с п у с к а т ь ^

металлами

и

" р а

н а к а л и в а н и и .

Отот

эффект ныне

и с п о л ь з у е т с я

г.адяолакгтах„

кинескопах

т е л е в и з о р о в ,

в в н п р р м и т м я х

п е р е н е и -

о

тока

и

т . п .